1、第46卷第4期2023年4月ARIDLANDGEOGRAPHYVol.46No.4Apr.2023doi：10.12118/j.issn.10006060.2022.242“三生”空间视角下西北地区生态环境质量分异机制的地理探测董建红1，张志斌2，刘奔腾1，张新红1（1.兰州理工大学设计艺术学院，甘肃 兰州730050；2.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃 兰州730070）摘要：基于土地“三生”功能视角，采用生态环境质量指数测度20002020年西北地区土地利用转型的生态环境效应，并且综合运用热点分析工具、地理探测器等方法探讨生态环境质量的演变特征与分异机制。结果表明：（1）西北地区“三
2、生”空间地域分异显著；“三生”空间结构演化呈生产、生活空间增加，生态空间缩减的变化趋势。（2）生态环境质量指数从2000年的0.22720升至2010年的0.22724后降至2020年的0.22699，生态环境质量整体保持相对稳定。（3）生态环境质量空间上呈“东南较高、西北次之，中部较低”的格局特征，生态环境质量格局演化的冷、热点区主要聚集于东南和西北部，与区域内人口、产业的空间分布具有趋同性。（4）生态用地结构、归一化植被指数和人类活动是生态环境质量空间分异的主导因素，自然因子内部以及自然因子与社会经济因子的交互协同作用共同影响了区域生态环境质量的空间分异效果。关 键 词：土地利用转型；生态
3、环境质量；空间分异；西北地区文章编号：10006060（2023）04051512（05150526）经济社会的快速发展以及城镇化和工业化的深入推进引发了土地利用的不断转型和空间重构，改变了自然生态系统的结构和功能，甚至威胁到区域生态安全和生态系统服务的可持续性1。土地利用功能（生产、生活、生态功能）转型作为土地利用转型的主要形式，成为土地利用覆被变化（Land useand cover change，LUCC）研究的新途径，被广泛认为是引起全球生态环境变化的原因之一2-3。目前，围绕“三生”空间的相关研究主要聚焦于“三生”空间的内涵框架 4、分类体系 5-6、功能识别7、结构演化 8-9、驱
4、动机制 10、耦合协调 11-12、功能冲突13以及国土空间适宜性评价14和国土空间分区15等方面。而鲜有研究将“三生”空间演化与区域生态环境质量关联起来，探讨土地利用转型生态环境效应的演变特征与空间分异机制16。土地利用转型主要通过对区域生态环境要素（大气、土壤、水、生物）的影响进而导致生态系统结构和功能发生变化17-21。有关土地利用转型生态环境效应的测度主要采用两种方式：一是利用植被净初级生产力（Netprimary productivity，NPP）22、归一化植被指数（Normalized difference vegetation index，NDVI）23、增强型植被指数（Enh
5、anced vegetation index，EVI）24、遥感生态指数（Remote sensing ecological index，RSEI）25-26等反映地表生物量的指标来表征；二是采用生态环境质量指数（Eco-environmental quality index，EQI）16、生态系统服务价值模型（Ecosystem service value，ESV）27-28等基于土地利用覆被变化过程的定量测度。其中，EQI应用较为广泛，其在充分考虑地类生态差异性的基础上，构建LUCC与生态环境质量的关联关系，进而刻画生态环境质量的演化过程及其特征3,21。此外，区域生态环境质量的空间分异格
6、局是自然禀赋条件、社会经济因子和生态政策等要素收稿日期：2022-05-24；修订日期：2022-09-11基金项目：国家自然科学基金项目（42261034，41961029）；甘肃省住房和城乡建设厅科研项目（JK2022-16）资助作者简介：董建红（1985-），男，博士，讲师，主要从事城乡规划与国土评价等方面的研究.E-mail:通讯作者：张新红（1981-），男，博士，副教授，主要从事城市与区域规划等方面的研究.E-mail:46卷复杂耦合作用过程在空间上的表征结果，而地理探测器模型在分析地理要素格局演变和地域空间分异等方面应用广泛29-30。综上所述，国内外学者针对“三生”空间开展了较
7、多的理论分析和实践研究，但还有待进一步深入探讨：一是“三生”空间演化生态效应分析对于干旱区生态建设至关重要，而现有文献关注较少；二是部分研究刻画了“三生”空间转型生态环境效应的演变特征，但缺乏分异机制的探讨。鉴于此，本文从“三生”空间土地利用功能分类视角，探讨西北地区土地利用转型生态环境效应的演变特征与空间分异机制，以期为区域国土空间格局优化、生态规划政策制定和生态系统风险管控提供借鉴。1研究区概况西北地区地理位置介于 751411013E、32124803N之间，行政区划上包括新疆、青海、甘肃、陕西和宁夏五省区，拥有广阔的土地资源和丰富的光热资源，是我国重要的生态屏障区、国家战略的回旋空间以
8、及向西开放的核心区，但也是推进区域协调发展和实现共同富裕的短板和难点（图1）。由于地处干旱半干旱区，降水稀少且时空分布不均，蒸发量大，是中国荒漠化和干旱最为严重的地区之一，生态环境具有原生的脆弱性，生态系统保护压力较大。2数据与方法2.1 数据来源及处理2000、2010、2020年土地利用数据（1 km1 km）来源于中国科学院资源环境科学数据中心（http:/ s检验值在P=0.000上均显著，说明因子选择较为合理；其次，将所获取的因子转换为统一的坐标和投影，并重采样为1 km空间分辨率的栅格数据；最后将栅格化的因子与县域行政单元进行空间连接，并采用自然断点法分类离散化形成类型数据集（图2
9、）。注：该图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS(2016)2923号的标准地图制作，底图边界无修改。下同。图1 西北地区示意图Fig.1 Map of northwest China表1“三生”空间土地利用分类及其生态环境质量指数Tab.1 Land use classification of production-living-ecological and eco-environmental quality index一级分类生活用地生产用地生态用地二级分类城镇生活用地农村生活用地农业生产用地工矿生产用地牧草生态用地林地生态用地水域生态用地其他生态用地土地利用分类系统的
10、二级地类城镇用地农村居民点水田、旱地其他建设用地高、中、低覆盖度草地灌木林地、有林地、疏林地、其他林地永久性冰川积雪、湖泊、水库坑塘、河渠戈壁、沙地、沼泽地、盐碱地、裸岩石砾地、高寒荒漠、裸土地、滩地EQI0.2000.2000.2530.1500.3810.7130.7720.022注：EQI为生态环境质量指数。5164期董建红等：“三生”空间视角下西北地区生态环境质量分异机制的地理探测2.2 研究方法2.2.1 区域生态环境质量指数 基于“三生”空间土地利用功能分类体系，结合各地类规模及其生态环境质量的差异性，核算区域生态环境质量指数。公式如下16：EVt=i=1nCiAi/A（1）式中：
11、EVt为区域第 t 时期 EQI；n 为土地利用功能二级分类数目；Ci为第i地类的EQI；Ai为第t时期地类i的面积；A为研究区面积。2.2.2 土地利用转型的生态贡献率 土地利用转型的生态贡献率指某地类变化所导致的区域生态环境质量的改变程度，公式如下16：CLEI=()LEt+1-LEtLA/A（2）式中：CLEI 为土地利用功能转型的生态贡献率；LEt+1、LEt为某地类在变化初期和末期的EQI；LA为该变化地类的面积。2.2.3 生态环境质量变化热点分析 采用ArcGIS空间分析工具中热点分析的Getis-OrdG*i指数进行生态环境质量冷、热点的局部关联性分析。公式如下29：G*i=j
12、nWij(d)xijnxj（3）Z()G*i=G*i-E(G*i)Var(G*i)（4）式中：G*i为单元i的集聚指数；n为研究单元数量；Wij(d)为空间权重；xi、xj为空间单元 i、j 的属性值；Z()G*i为G*i标准化的值；E(G*i)、Var(G*i)分别为G*i的数学期望和标准差。2.2.4 生态环境质量空间分异的地理探测模型 地理探测器模型是基于空间分异理论，通过分析各因子层内方差和总方差的关系，探测自变量与因变量的相关性以及自变量之间交互作用的一种统计学方法。公式如下33：表2 地理探测指标体系Tab.2 Geographic detection index system一级
13、指标自然条件社会经济生态政策指标高程/m坡度/()10 积温/年均降水量/mm湿润指数NDVINPP/gCm-2土壤侵蚀/tkm-2a-1生态用地占比/%人口密度/人 km-2地均GDP/104元夜间灯光强度/nWcm-2sr-1距市中心距离/km道路密度/kmkm-2HAI林地增加面积/km2草地增加面积/km2荒漠增加面积/km2变量X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X12X13X14X15X16X17X18分辨率30 m30 m30 m30 m1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1
14、km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km1 km年份-2010202020102020201020202018201020102020201920192020-2017-200020202000202020002020数据来源及处理中国科学院地理空间数据云平台（http:/）中国科学院地理空间数据云平台（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科
15、学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）生态用地占比通过提取生态用地面积获得中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）中国科学院资源环境科学数据中心（http:/）国家地球系统科学数据中心（）基于百度地图获取各县区中心点坐标，通过ArcGIS欧氏距离工具计算获得国家基础地理信息中心1:1000000基础地理数据库（http:/）人为影响综合指数参考黄木易等29的研究方法基于2000年和2020年两期土地利用数据，通过ArcGIS的空间叠置工具获得土地利用转移量基于2000年和2020年两期土地利用数据，通过ArcGIS的空间叠置工具获得土地利用转移量基于20
16、00年和2020年两期土地利用数据，通过ArcGIS的空间叠置工具获得土地利用转移量注：NDVI为归一化植被指数；NPP为净初级生产力；HAI为人为影响综合指数；“-”表示无数据。51746卷q=1-1N2i=1LNi2i（5）式中：q为各驱动因子探测值；Ni和N分别为分区和全区样本数；L为评价单元个数；2i和2分别为分区和全区的离散方差。3结果与分析3.1 西北地区“三生”空间转型3.1.1“三生”空间演变特征通过分析西北地区“三生”空间分布与面积特征（图3、表3），可以看出注：NDVI为归一化植被指数；NPP为净初级生产力；HAI为人为影响综合指数。图2 西北地区生态环境质量空间分异驱动因子分级Fig.2 Classification of driving factors for spatial differentiation of eco-environment quality in northwest China5184期董建红等：“三生”空间视角下西北地区生态环境质量分异机制的地理探测生态用地为主要用地类型，但面积呈减少趋势，从2000 年 的 2835672.67 km2减
